Ⅰ. 서론
1. 연구의 배경 및 필요성
최근 전기차, 신재생에너지 저장 시스템, 휴대용 전자기기의 발전과 함께 고용량, 고효율 배터리에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다. 현재 상용화된 리튬이온배터리는 높은 에너지 밀도와 안정성으로 인해 널리 사용되고 있지만, 에너지 저장 용량의 한계로 인해 차세대 배터리 기술이 요구되고 있다.
리튬공기배터리(Lithium-Air Battery)는 이러한 한계를 극복할 수 있는 차세대 배터리로 주목받고 있다. 이 배터리는 공기를 전극으로 활용하여 기존 리튬이온배터리보다 이론적으로 5배 이상의 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있다(Cheng et al., 2021). 그러나 리튬공기배터리는 충·방전 과정에서 높은 전압이 필요하고, 활성산소(reactive oxygen species, ROS)에 의한 부반응이 발생하여 효율과 수명이 제한된다는 문제를 가지고 있다(Dey et al., 2018).
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 리튬공기배터리의 충·방전 효율과 수명을 향상시킬 수 있는 새로운 산화환원 매개체(Redox Mediator, RM)를 개발하고, 해당 물질이 배터리 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 연구의 목적
본 연구는 리튬공기배터리의 충·방전 효율을 향상시키고, 배터리 수명을 증가시키기 위한 첨가제인 산화환원 매개체의 설계 및 적용 가능성을 탐구하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해,
- 활성산소와의 반응성이 낮은 새로운 산화환원 매개체(BAC: 7,7′-bi-7-azabicyclo[2.2.1]heptane)를 합성하여 배터리 내 화학적 안정성을 확인하고,
- 충·방전 과정에서의 전압 변화와 산소 발생량을 분석하여 해당 물질이 배터리 효율과 수명에 미치는 영향을 검토하며,
- 리튬공기배터리의 상용화를 앞당길 수 있는 기술적 방향을 제시하는 것을 연구의 주요 목표로 설정하였다.
Ⅱ. 연구 방법
1. 리튬공기배터리의 구조 및 원리
리튬공기배터리는 리튬 금속(Li) 음극과 다공성 탄소 전극을 양극으로 사용하며, 외부 공기로부터 산소(O₂)를 유입하여 전기화학 반응을 유도하는 배터리이다(Shui et al., 2020). 방전 시 리튬 이온이 음극에서 용출되어 산소와 결합하여 리튬과산화물(Li₂O₂) 또는 리튬산화물(Li₂O)을 형성하며, 충전 시 반대로 리튬이온이 다시 음극으로 이동하면서 산소가 방출된다.
이 과정에서 충·방전 효율을 결정짓는 핵심 요인은 다음과 같다.
- 과전압(Overpotential) 문제: 기존의 리튬공기배터리는 충전 시 높은 전압(4V 이상)이 필요하여 에너지 손실이 크다.
- 활성산소(ROS) 문제: 방전 과정에서 생성된 활성산소가 전해액 및 전극을 손상시키는 부반응을 유발하여 배터리 수명을 단축시킨다.
2. 산화환원 매개체(RM)의 역할 및 개발
산화환원 매개체는 배터리 내에서 전자의 이동을 촉진하여 충전 시 필요한 전압을 낮추고, 과전압을 줄이는 역할을 한다. 기존의 산화환원 매개체는 활성산소에 의해 쉽게 산화되어 성능 저하가 발생하는 문제가 있었으며, 본 연구에서는 이를 개선하기 위해 **활성산소와의 반응성이 낮은 새로운 산화환원 매개체(BAC)**를 설계하였다.
- BAC의 설계 원리:
- ‘브레트 규칙(Bredt’s Rule)’을 기반으로 알파 탄소(α-Carbon)에 수소가 하나만 존재하도록 설계하여 활성산소와의 반응성을 낮춤.
- 7,7′-bi-7-azabicyclo[2.2.1]heptane(BAC)을 합성하여 기존 매개체 대비 화학적 안정성을 증가시킴.
Ⅲ. 연구 결과 및 분석
1. BAC의 전기화학적 안정성 평가
개발된 BAC의 안정성을 평가하기 위해 활성산소 노출 전후의 충전 전압 및 산소 발생량을 비교 분석하였다.
- 충전 전압 유지율:
- BAC를 첨가한 리튬공기배터리는 일중항산소(Singlet Oxygen) 노출 전후에도 충전 전압을 3.5V로 일정하게 유지함.
- 기존 산화환원 매개체는 활성산소 노출 후 충전 전압이 4V 이상으로 상승하여 효율이 감소함.
- 산소 발생 비율(O₂ Evolution Ratio):
- BAC 적용 배터리의 산소 발생 비율은 82%(활성산소 미노출), 79%(활성산소 노출)로 유지됨.
- 기존 산화환원 매개체의 경우 활성산소 노출 후 산소 발생량이 50% 이상 감소하여 가역성이 저하됨.
2. 리튬공기배터리의 충·방전 효율 향상
BAC를 적용한 리튬공기배터리는 기존 배터리 대비 다음과 같은 성능 개선 효과를 보였다.
- 에너지 효율 향상: 낮은 충전 전압을 유지함으로써 에너지 손실을 최소화함.
- 배터리 수명 연장: 활성산소로 인한 부반응을 줄여 배터리 내구성을 향상함.
Ⅳ. 결론 및 향후 연구 방향
1. 연구의 결론
본 연구에서는 리튬공기배터리의 성능 저하 원인 중 하나인 활성산소(ROS)와의 부반응을 최소화하는 산화환원 매개체(BAC)를 개발하였다. 이를 통해,
- 충전 전압을 3.5V 수준으로 일정하게 유지하여 충전 효율을 향상시켰으며,
- 산소 발생 비율(O₂ Evolution Ratio)을 80% 이상 유지하여 배터리의 가역성을 증대시켰고,
- 기존 산화환원 매개체 대비 활성산소에 대한 저항성을 강화하여 배터리 수명을 증가시켰다.
이러한 결과는 리튬공기배터리의 상용화를 앞당기는 데 기여할 수 있으며, 본 연구에서 개발된 전해질 첨가제 설계 기법은 다양한 차세대 배터리 및 촉매 기술에도 응용 가능할 것으로 기대된다.
2. 향후 연구 방향
향후 연구에서는 다음과 같은 추가적인 연구를 통해 리튬공기배터리의 실용성을 더욱 강화할 필요가 있다.
- 다양한 환경에서의 장기 수명 테스트 수행
- BAC와 조합할 수 있는 최적의 전해질 및 전극 소재 연구
- 배터리 상용화를 위한 대량 생산 공정 연구 및 비용 절감 방안 모색
본 연구는 리튬공기배터리 기술을 한 단계 발전시키는 중요한 기초 연구로, 차세대 친환경 에너지 저장 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다.
